DE2546973A1

DE2546973A1 - Kollektor fuer sonnenenergie

Info

Publication number: DE2546973A1
Application number: DE19752546973
Authority: DE
Inventors: Lawrence Harvey
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1974-10-23
Filing date: 1975-10-21
Publication date: 1976-05-06
Also published as: GB1522797A; IT1043586B; NL7512202A; AU8586775A; JPS5169237A; BE834818A; FR2288955A1; FR2288955B1

Description

PATENTANWÄLTE

DlpWng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK DipL-lng. G. ÖÄ^NENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 β FRANKFURTAM MAIN

TELEFON (OeilJ

287014 ' GR. ESCHENHEIMER STBASSE 38

BP Case GRD,3840

15. Okt. 1975
Gu/Ar

The British Petroleum Company Limited Britannic House, Moor Lane, London, EC2Y 9BO, England

Kollektor für Sonnenenergie

Die Erfindung betrifft einen Kollektor für Sonnenenergie.

Sonnenkollektoren zur thermischen Energieumwandlung fallen in zwei Kategorien:

1, Kollektoren für hohe Temperaturumwandlung, wobei die Sonnenstrahlen durch konkave Reflektoren gesammelt werden, die die Sonne während des Tagesverlaufs verfolgen. Dieser Kollektortyp kann in diffusem Licht nicht wirksam eingesetzt werden.

2. Ortsfeste Kollektoren in Gestalt flacher Platten, die direktes oder diffuses Sonnenlicht in Wärme umwandeln für Temperaturen unter 200⁰C.

Typische Kollektoren vom genannten Flachplattentyp, die erfolgreich in Israel, Japan und anderen südlichen Ländern verwendet worden sind, enthalten ein kreisförmiges Metallrohr, das mit

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einem Metall verbunden ist, welches an einer isolierten Oberfläche montiert ist. Die von der Platte absorbierte Wärme geht in eine Wärmesammeiflüssigkeit, die durch die Metalleitung strömt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades befindet sich der Kollektor in einem abgedichteten Gehäuse mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung, die vorzugsweise aus einer doppelten Verglasung besteht. Derartige Einheiten können einen Wirkungsgrad von etwa 40 °/o bei 50 C haben.

Damit dieser Kollektortyp auch in höheren Breiten verwendet werden kann, in denen der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen niedriger ist, insbesondere während der Wintermonate, muss der Wirkungsgrad der Umwandlung bedeutend verbessert werden. Eine gewisse Verbesserung wurde dadurch erreicht, dass eine V-förmig gebogene Absorberoberfläche verwendet wurde, die wirksamer ist als eine flache Oberfläche, v/eil die reflektierten Lichtanteile und die abgestrahlten TVarmeverluste verringert werden. Auch wird dabei die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche vergrössert. Solche Absorber sind jedoch sehr teuer, so dass sich praktisch nur Kollektoren vom Plachplattentyp durchgesetzt haben.

Ein anderer Typ von Flachplattenkollektoren ist in der US-PS 3 369 539 beschrieben. Dieser Kollektor enthält einen flachen Sack oder ein flaches Gehäuse mit einer lichtdurchlässigen Seite, die der Sonne zugewandt ist, und die auf ein Dach aufgelegt ist. Der Sack oder das Gehäuse enthält eine die Wärme sammelnde Schicht aus granulärem Material, beispielsweise Blaukugelstückchen (bluestone chips) oder dunklem Sand. Wasser strömt über das granuläre Material, um die Wärme aufzunehmen. Dieser Kollektortyp hat jedoch eine Anzahl von Nachteilen: Das granuläre Material neigt beispielsweise dazu, die Dachneigung hinunterzugleiten, wodurch Leerstellen auf dem Dach geschaffen werden, die für die Energieumwandlung nicht genutzt werden. Gleichzeitig wird die Dachlast Im unteren Bereich des Daches bedeutend erhöht. Dies wiederum kann zu mechanischen Beschädigungen der Säcke oder Gehäuse führen.

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Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kollektor für Sonnenenergie vorzuschlagen.

Erfindungsgemäss geschieht dies dadurch, dass der Kollektor gekennzeichnet ist durch eine lichtdurchlässige Wärmesamme1-zone, in der sich Energie absorbierende Teilchen oder Fasern befinden, deren spezifisches Gewicht nicht grosser als 1,1 g/cm ist.

Die Erfindung schlägt weiterhin ein Verfahrem zum Sammeln von Wärmeenergie aus Sonnenenergie vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Wärme führende Flüssigkeit durch eine lichtdurchlässige, direktem Sonnenlicht ausgesetzte Wärmesammelzone geleitet wird, in der sich Energie absorbierende Teilchen oder Fasern mit einem spezifischen Gewicht kleiner als 1,1 g/cm befinden.

Die lichtdurchlässige Wärmesammelzone ist vorzugsweise in einem hohlen Behälter, der vorzugsweise starr ausgebildet ist, enthalten, und der einen oder mehrere Einlasse und Auslässe hat, wodurch das die Wärme führende Fluid durch den Behälter strömen kann, um die Wärme zu einer Sammelstelle oder zu Verbrauchern zu führen. Der Behälter kann jede gewünschte Gestalt haben. Bevorzugt wird es, wenn er als zylinderförmiges oder flaches Gehäuse ausgebildet ist. Der Behälter kann zur Gänze aus einem lichtdurchlässigen Material bestehen, beispielsweise einem abgeflachten Kunststoffrohr. Es wird jedoch bevorzugt, wenn nur diejenige Seite des Behälters lichtdurchlässig ist, die das einfallende Sonnenlicht aufnehmen soll, während die dazu entgegengesetzte Seite vorzugsweise an der Innenfläche geschwärzt ist und an der Aussenfläche reflektierend gemacht ist und/oder dort wärmeisoliert ist. Das lichtdurchlässige Material ist vorzugsweise für das gesamte Sonnenspektrum durchlässig einschliesslich Infrarotteil, sichtbarer Teil und ultravioletter Teil. Das Material soll bei Temperaturen, die beim Betrieb des Kollektors auftreten, nicht erweichen. Es wird be-

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vorzugt, lichtdurchlässiges Material zu verwenden, welches "bei Lichteinwirkung nicht altert. Geeignete lichtdurchlässige Materialien sind beispielsweise Glas, Polymethylmethacrylat, Celluloseacetat, hochdichtes Polyäthylen, Polystyrol, PoIycarbonat, klares PYC und Glimmer. Glas und Polycarbonat sind bevorzugt.

Die Dichte der Teilchen oder Fasern liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,9 und 1,0 g/cm . Bevorzugte Materialien, aus denen die Teilchen oder Pasern hergestellt sind, sind Kohlenstoff-gefüllte Kunststoffe, beispielsweise Kohlenstoffgefüllte Polyäthylenkugeln oder -tabletten bzw.-fasern und geschwärzte expandierte Perlitteilchen. Materialien mit hoher Sonnenenergieabsorption und niedriger thermischer Streuwirkung (beispielsweise vorzugsweise unter 2,5 x 10 cm /see bei einer Temperatur über 20⁰C) sind beispielsweise Kohlenstoff-gefülltes hochdichtes Polyäthylen. Dieses Material ist insbesondere bevorzugt.

Wenn es erwünscht ist, Energie absorbierende Teilchen zu verwenden, können diese beispielsweise diskrete Granulate sein, Kugeln oder Tabletten, Perlen oder Splitter oder Stückchen. Zylindrische hohle Tabletten werden bevorzugt. Die Teilchen haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 mm, vorzugsweise zwischen 3,0 bis 4,0 mm. Die Teilchen füllen vorzugsweise im wesentlichen die lichtdurchlässige Zone aus. Sie sind dort lose gepackt, so dass beim Strömen der Flüssigkeit durch die Zone die Teilchen nicht vollständig ortsfest sind, sondern begrenzt schwingen oder rotieren können. Die Teilchen oder Pasern werden in der Wärmesammeizone zurückgehalten, beispielsweise dadurch, dass sie in einer Schale angeordnet werden, die eine lichtdurchlässige Abdeckung hat, oder in einem Behälter mit einer lichtdurchlässigen Seite und einem Auslass, durch die wohl das Wärme führende Fluid, nicht jedoch die Teilchen oder Fasern passieren können.

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Beispiele für die Wärme führende flüssigkeit, die bei· dem Verfahren nach der Erfindung verwendet werden kann, sind Wasser, Y/asser mit Prostschutzmittel, Alkohol und Öl. Wasser und Mischungen aus Wasser mit Frostschutzmittel werden bevorzugt.

Die lichtdurchlässige WarmesammeIzone hat vorzugsweise eine mehrfache Verglasung, d.h. sie hat eine oder mehrere zusätzliche Scheiben aus lichtdurchlässigem Material, um wenigstens einen wärmeisolierenden zusätzlichen Luftraum einzuschliessen, der die Yförmesammelzone umgibt.

Der Kollektor nach der Erfindung kann beispielsweise derart eingesetzt werden, dass das Wasser dadurch direkt erwärmt wird, dass dieses durch den direktem Sonnenlicht ausgesetzten Kollektor strömt. Alternativ kann der Kollektor als indirekte Wärmequelle verwendet werden, beispielsweise indem eine Wärme führende Flüssigkeit durch den Kollektor und einen geeigneten Wärmetauscher zirkuliert, beispielsweise einen im Haus angeordneten indirekten Zylinder.

In klimatischen Regionen, in denen die Sonnenstrahlung aussetzt, ist es vorteilhaft, Mittel zu verwenden, die es gestatten, dass das Wärme führende Fluid durch den Kollektor strömen kann, wenn dieser mit Sonne bestrahlt wird, während der Fluidstrom angehalten wird, wenn die Strahlungsintensität unter ein bestimmtes Niveau abfällt. Bei einer weiteren Ausbildung.· dieses Systems wird eine Verzögerungsanordnung verwendet, die den fluiden Strom eine vorbestimmte Zeit nach dem Abfallen der Strahlungsenergie unter das vorbestimmte Niveau anhält, so dass dann das erwärmte Fluid im Kollektor und den damit verbundenen Leitungen nicht mehr zu einem Vorratsbehälter strömt. Diese Mittel können beispielsweise ein auf Strahlung ansprechendes Bauelement umfassen, beispielsweise eine Fotozelle, eine Fotodiode oder einen geschwärzten Bimetallstreifen, der mit einer elektronischen oder mechanischen Schaltung verbunden sein kann, um ein

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Ventil oder eine Pumpe zu steuern, die ihrerseits den Strom der Wärmeflüssigkeit steuert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Pig. 1 eine Ansicht eines Kollektors nach der Erfindung; Pig. 2 einen Schnitt längs X-X von Pig. 1.

Eine Wärmesammeizone 1 ist mit mit Ruß gefüllten Polyäthylentabletten (nicht gezeigt) gefüllt, die 2 % Kohlenstoff enthalten. Die Zone hat eine lichtdurchlässige Pläche 2, durch die die einfallende Sonnenstrahlung geht. Die WarmesammeIzone hat eine Rückseite 3, die mit der lichtdurchlässigen Pläche an den Kanten 4 abgedichtet ist. Der Behälter, der von der lichtdurchlässigen Oberfläche und der Rückfläche gebildet wird, hat ein Einlassrohr 5 und ein Auslassrohr 6, wodurch ein die V/arme abführendes Pluid strömen kann. Die mit Kohlenstoff gefüllten Polyäthylentabletten werden im Behälter durch perforierte Streifen 7 und 8 zurückgehalten. Die Rückwand 9 der Hinterwand 3 ist mit Metall plattiert, um Strahlungsverluste durch die Rückwand zu verringern. Die lichtdurchlässige Pläche 2 ist doppelverglast mit einer lichtdurchlässigen Platte 10, die zusammen mit einer rückseitigen Platte 11 ein Gehäuse für den Behälter ausbildet. Die Kanten 12 der rückwärtigen Abdeckung und der lichtdurchlässigen Vorderfläche sind miteinander verschweisst. Der Raum 13 zwischen der rückseitigen Pläche und · der rückseitigen Platte ist mit wärmeisolierendem Material ausgefüllt. Die gesamte Anordnung kann aus Kunststoff hergestellt werden, beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polystyrol. Die rückwärtige Pläche und die rückwärtige Abdeckung können aus lichtundurchlässigem oder pigmentiertem Kunststoff hergestellt sein.

Der Kollektor wird im Betrieb vorzugsweise derart angeordnet, dass er ein Maximum direkter Sonnenstrahlung aufnimmt. Durch das Einlass- und das Auslassrohr wird er beispielsweise mit

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einem Wärmetauscher in einem Vorratstank für Warmwasser verbunden. Wenn Wasser als Wärmeträger verwendet wird, kann der Kollektor direkt mit dem Vorratstank verbunden sein. Das !Fluid wird beispielsweise entweder derart umgewälzt, dass das System so angeordnet wird, dass das von der Sonnenstrahlung erwärmte Fluid im Naturumlauf in den Tank kommt, oder indem eine Pumpe mit geringer leistung verwendet wird. Alternativ kann das Y/asser mittels Schwerkraft dem Kollektor zugeführt und von dort über die Leitungen beispielsweise in einen Vorratstank gegeben werden.

Palis erwünscht, können mehrere Kollektoren serienmässig oder parallel zueinander geschaltet werden. Die Kollektoren können auch derart hergestellt werden, dass sie miteinander verbundene Blätter ausbilden, die verwendet werden können, um ein Dach abzudecken, welches doppelverglast sein.kann, beispielsweise mit einer Glasplatte. Ein derartiges System kann Heissv/asser beispielsweise zur Verwendung in Häusern liefern oder um ein Schwimmbad zu heizen.

Die Einheiten der angeführten Dichten sind Gramm pro Kubikzentimeter.

-Ansprüche-

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Claims

The British Petroleum Company Limited <f

15. Okt. 1975
Gu/Ar

Patent- "bzw. Schutzansprüche

..^Kollektor für Sonnenenergie, gekennzeichnet durch eine "-" lichtdurchlässige Wärmesammeizone (1), in der sich Energie absorbierende Teilchen oder Fasern "befinden, deren spezifisches Gewicht nicht grosser als 1,1 g/cm ist.
2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesammelzone (1) ein hohler Behälter ist, der mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass (5, 6) versehen ist.
3. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter zylindrisch oder flach ausgebildet ist.

4. Kollektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter starr ist.

5. Kollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine lichtdurchlässige Oberfläche hat, die aus Glas oder Polycarbonat besteht.

6. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Gewicht der Teilchen oder des Fasermaterials zwischen 0,9 bis 1,0 g/cm liegt.

7. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilchenmaterial oder Pasermaterial mit Kohlenstoff gefültes Polyäthylen ist.

8. Kollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen das die

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Wärme abführende Fluid durch den Kollektor strömt, wenn Sonnenstrahlen auf ihn fallen, wobei der Fluidstrom anhält, wenn die Strahlungsintensität unter ein vorbestimmtes Niveau abfällt.

Verfahren zum Sammeln von Wärm= energie aus Sonnenenergie, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärme führende Flüssigkeit durch eine lichtdurchlässige, direktem Sonnenlicht ausgesetzte Wärmesammeizone (1) geleitet wird, in der sich Energie absorbierende Teilchen oder Pasern mit einem spezifischen Gewicht kleiner als 1,1 g /cnr befinden.

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